JP2006162179A - プレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 伝熱プレート間の温度差によって起こり得る破壊を防止したプレート式熱交換器を提供すること。
【解決手段】 一対の連通孔３２，４２が形成された伝熱面２２の周縁部分に外周枠２３が立ち上がった複数の伝熱プレート１１，１２…を、その外周枠２３を嵌め合わせることにより積層し、一対の連通孔３１，４１のうち一つの連通孔同士を連結して一層分を隔てた隔層毎に連通する２流路が形成さたものであって、伝熱面２２には、積層された状態で上下の伝熱プレート間で当接する凹部２５及び／又は凸部２６が形成され、供給される流体の温度に応じて当該凹部２５と凸部２６の当接部分の接合条件を変化させるようにしたプレート式熱交換器１。
【選択図】 図２

Description

本発明は、連続する凹凸面を形成したプレートを複数枚数積層して形成されたプレート式熱交換器に関し、特に熱膨張差に伴う破損を防止して熱交換器としての強度（剛性）を確保したプレート式熱交換器に関する。

各種の化学工業や熱器具において、急速加熱、冷却、再熱などの工程にプレート式熱交換器が普及しており、例えば下記特許文献１には図４に示すプレート式熱交換器が提案されている。
プレート式熱交換器は、連続する凹凸面１１１を形成した伝熱プレート１０１〜１０４が銅板のプレス加工で成形され、凹凸面１１１が直線状の波形に形成されている。伝熱プレート１０１〜１０４は、略正方形で周縁が立上げられ外周枠１１２が形成された皿状であって、この外周枠１１２の上縁には、傾斜角度が小さい外縁部１１３が形成されている。伝熱プレート１０１〜１０４は、隣接する隅部に２種類の連通孔１１５，１１６が形成され、一方の連通孔１１６には周縁にバーリング加工して突縁１１７が形成され、他方の連通孔１１５は、この突縁１１７が嵌挿される大きさで形成されている。

プレート式熱交換器の組み付けは、伝熱プレート１０１に重ねる伝熱プレート１０２が９０度回転され、連通孔１１５に下段の伝熱プレート１０２の突縁１１７が挿入されて重ね合わされる。同じく伝熱プレート１０３は伝熱プレート１０２に対して９０度回転し、連通孔１１５に突縁１１７が嵌挿して重ね合わされ、伝熱プレート１０４は伝熱プレート１０３に対して９０度回転して重ね合わされている。このように、伝熱プレート１０１〜１０４は順次９０度ずつ回転し、連通孔１１５に下段の伝熱プレートの突縁１１７が挿入され、所定枚数が積層される。図５に示されたプレート式熱交換器は、１３枚の伝熱プレート１００（伝熱プレート１０１〜１０４と同じ構成をしたもの）が積層され、最上段と最下段の伝熱プレート１００の連通孔１１５，１１６に流体の入口管及び出口管１２１，１２２，１２３，１２４が接合される。

このプレート式熱交換器の流体の流れは、図４において、伝熱プレート１０１の連通孔１１５から伝熱プレート１０２との間の層内に流入した流体は、凹凸面に沿って流れ伝熱プレート１０２の連通孔１１６からその突縁１１７に案内され、伝熱プレート１０３と伝熱プレート１０４との間の層内に流入する。このように、上下の伝熱プレートで区画された各層を流体が流れ、更に突縁１１７が上段の連通孔１１５に嵌挿されているので、上下の一層を隔てた層へと流れる。したがって、液−液、液−ガスなどの２種類の異なる温度の流体は、この交互の層を流れることによって熱交換が行われる。各層では、凹凸面に沿って流体が対角方向に流れるとともに、上下の層では流体が交差して流れるので効率の良い熱交換が行われる。
特開２０００−１６１８７７号公報（第２−３頁、図３、図４）

ところで、このようなプレート式熱交換器は、積層された伝熱プレート間の気密性を保つため、プレートの外周枠１１２における重なり部分や連通孔１１５，１１６が嵌め合わされた突縁１１７の周りがロウ付けや溶接などによってプレート間が接合されている。
更に、熱の伝達効率が良くなるように接触部分を多くし、上下方向には供給される流体の流体圧の荷重によって伝熱プレートに変形が生じないよう剛性を高める必要がある。そのため、図５に示すように、上下に重ねられた伝熱プレート１００は上下に凹凸面１１１同士が当接しており、その当接部分がロウ付けなどによって接合固定されている。

しかしながら、積層された伝熱プレート１００にはそれぞれ高温と低温の流体が各々流れるので、特にプレート式熱交換器の流体供給側では上下のプレート間で温度差が大きくなってしまう。そのため、伝熱プレート１００は、その凹凸面１１１での熱膨張による変形量に差が生じ、プレート間の特に凹凸面１１１の接合部分で引っ張り応力が作用する。そして、プレート式熱交換器が繰り返し使用されることによって、接合して拘束された部分が繰り返し応力を受けて疲労破壊を起こしてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、伝熱プレート間の温度差によって起こり得る破壊を防止したプレート式熱交換器を提供することを目的とする。

本発明のプレート式熱交換器は、一対の連通孔が形成された伝熱面の周縁部分に外周枠が立ち上がった複数の伝熱プレートを、その外周枠を嵌め合わせることにより積層し、一対の連通孔のうち一つの連通孔同士を連結して一層分を隔てた隔層毎に連通する２流路が形成さたものであって、前記伝熱面には、積層された状態で上下の伝熱プレート間で当接する凹部及び／又は凸部が形成され、供給される流体の温度に応じて当該凹部と凸部の当接部分の接合条件を変化させるようにしたものであることを特徴とする。

また、本発明のプレート式熱交換器は、前記凹部と凸部との接合条件が、流体供給側から所定数の伝熱プレート同士は接合せず、それ以外の伝熱プレート同士はロウ付けによって接合するようにしたものであることが好ましい。
また、本発明のプレート式熱交換器は、前記凹部と凸部との接合条件が、流体供給側から所定数の伝熱プレート同士は銅系ロウ材を使用して接合し、それ以外の伝熱プレート同士はニッケル系ロウ材を使用して接合するようにしたものであることが好ましい。

また、本発明のプレート式熱交換器は、前記伝熱プレートの凹部は平らな底面を有する溝条形状で形成され、前記伝熱プレートの凸部は平らな頂面を有する突条形状で形成され、前記伝熱プレートの凹部と凸部は互いの長手方向が平行で、且つ長手方向に直交する方向に交互に形成されているものであることが好ましい。
また、本発明のプレート式熱交換器は、流体供給側に配置された第１番目の伝熱プレートが、他の伝熱プレートの凹部又は凸部に対する当接面積の小さい円形の凹部又は凸部が形成され、当該他の伝熱プレートよりも板厚が厚いものであることが好ましい。

本発明のプレート式熱交換器では、複数の伝熱プレートが積層され、第１番目の伝熱プレートの一方の連通孔から高温流体が供給され、もう一方の連通孔からは温度の低い流体が供給され、隔層毎に接続された流路を２流体がそれぞれ流れていく。そして、２流体は、排出側へ向けて上下の層を交互に流れる間、高温流体の熱が低温流体側に奪われる熱交換が行われる。

本発明のプレート式熱交換器によれば、供給される流体の温度によって接合条件を変化させ、例えば、供給される２流体の温度差が大きい供給側伝熱プレート間にて、当接する凹部と凸部とをロウ付けなどによる拘束を無くしてフリーにすることによって、熱膨張差による引っ張り応力の影響を減らし、伝熱プレート間の温度差によって起こり得る破壊を防止することができる。また、全ての伝熱プレート間の凹部と凸部をロウ付けする場合でも、供給される２流体の温度差が大きい供給側伝熱プレート間ではニッケルロウ材に比べて接合強度の低い銅系ロウ材によって接合することで、熱膨張差による引っ張り応力による影響が接合部の破壊だけで済むようにして、伝熱プレート間の温度差によって起こり得る伝熱プレートの破壊を防止することができる。すなわち、プレート間の熱膨張差が大きいほど接合強度を低く設定することにより、伝熱プレート間の温度差によって起こり得る伝熱プレートの破壊を防止できる。

更に、本発明のプレート式熱交換器によれば、凹部や凸部に平らな底面や頂面を形成することにより、伝熱プレート同士を確実に接触させ、接合する際に確実に接合することができる。また、伝熱プレート同士を確実に接合し伝熱効率を良くすることができる。また、高温流体が直接供給される第１番目の伝熱プレートは熱膨張による変形が最も大きいため、他の伝熱プレートとの接触箇所を少なくして、熱膨張差による引っ張り応力による影響を減らして伝熱プレート間の温度差によって起こり得る伝熱プレートの破壊を防止する一方、板厚を厚くして剛性を高めている。

次に、本発明に係るプレート式熱交換器の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、プレート式熱交換器を構成する複数の伝熱プレートを積層順に並べたものを示した斜視図である。また、図２は、そのプレート式熱交換器を構成する伝熱プレートのうち、最上段から４枚分の伝熱プレートを拡大して示した斜視図である。更に図３は、その４枚分の伝熱プレートを積層したプレート式熱交換器の一部を示した斜視図である。

本実施形態のプレート式熱交換器１は、９枚の伝熱プレート１１〜１９が積層されて組み付けられるものである。本実施形態のプレート式熱交換器１は、最上段と最下段に位置する伝熱プレート１１，１９と、その中間に位置する伝熱プレート１２〜１８とが異なっている。しかし、伝熱プレート１１〜１９は、いずれも同じ大きさの伝熱面２１または２２を有し、その周縁には外側に広がるように立ち上がった外周枠２３が形成されている。こうした伝熱プレート１１〜１９は、プレス加工によって成形される。

伝熱プレート１２〜１８は、従来例と同様に伝熱面２２に凹凸が形成されている。しかし、本実施形態では特に、凹部２５および凸部２６の両方ともが長円形をして形成され、平らな底面２５ａや頂面２６ａを有している。その伝達プレート１２〜１８は、それぞれの凹部２５、凸部２６同士が互いに交差し、その底面２５ａと頂面２６ａとが当接するようになっている。これは、伝熱プレート１１〜１９が重ね合わされてプレート式熱交換器１を構成した場合、上下の伝熱プレート間で熱伝達率が大きくなるように凹部２５と凸部２６が互いに当接するようにしたものであり、また、凹部２５と凸部２６とが当接することによって、積層方向の位置決め及び荷重を支え合い剛性を高めるようになっている。

一方、こうした伝熱プレート１２〜１８を上下で挟み込む伝熱プレート１１と１９は、伝熱プレート１２〜１８にある凹部２５や凸部２６は形成されていない。これは、プレート式熱交換器１に対して流れ込む高温流体によって、供給側になり得る伝熱プレート１１，１９は、重ね合わされた他の伝熱プレート１２，１８に比べて高温にさらされる。そこで、伝熱プレート１１と１９は、伝熱プレート１２や１８との接触面積が大きいと熱膨張による変形量の差によって応力を受けるため、その影響が小さくなるように拘束箇所を少なくすべく各々２箇所に小さい円形の支持部２７が形成されている。伝熱プレート１１の支持部２７は、下の伝熱プレート１２の凸部２６の頂面２６ａに当接し、伝熱プレート１９の支持部２７は、上の伝熱プレート１８の凹部２５の底面２５ａに当接する位置に形成されている。なお、この支持部２７は、特許請求の範囲に記載する小さな円形の凹部又は凸部に相当するものである。

伝熱プレート１１〜１９には、それぞれ２箇所に連通孔が形成されている。最上段と最下段に位置する伝熱プレート１１，１９の連通孔３１，４９は平面を貫通する孔であるが、他の連通孔４１〜４８は下方に突き出し、連通孔３２〜３９は上方に突き出すようにして形成されている。下方突き出した連通孔４１〜４８の方が径が大きく形成され、そこに径の小さい連通行３２〜３９が、図１の矢印で示すようにそれぞれ挿入できるようになっている。プレート式熱交換器１は、伝熱プレート１１〜１９が図３に示すように上下に嵌め合わされ、その際、図１の矢印で示すように、下の連通孔３２〜３９が上の連通孔４１〜４８へとそれぞれ挿入される。

そして、各伝熱プレート１１〜１９における一対の連通孔３１〜３９と４１〜４９に関しても、図１に示すように９０度ずつ位置がずれている。このように２個ずつある連通孔３１〜３９，４１〜４９がそれぞれ上下の伝熱プレートの連通孔３１〜３９，４１〜４９に接続されるため、プレート式熱交換器１は、積層された各層を構成する伝熱プレート１１〜１９が上下に一層分を隔てた隔層毎に連通する２流路が形成される。

具体的には、最上段の伝熱プレート１１を流入側とすると、連通孔３１から流入した流体は、図１に太線で示した矢印を逆向きに流れ、伝熱プレート１２，１４，１６，１８内を通って連通孔３９から流出する。他方、連通孔４１から流入した流体は、図１に細線で示した矢印を逆向きに流れ、伝熱プレート１３，１５，１７，１９内を通って連通孔４９から流出する。従って、２種類の流体が上下交互の層を流れることによって熱交換が行われる。
このとき、積層された伝熱プレート１２〜１８では、交差した凹部２５および凸部２６が上下において当接し、伝熱面２２に作用する流体圧力を受けて荷重を支え合っている。そして、各層では凹部２５と凸部２６によって流体が交差する流れとなり、効率の良い熱交換が行われる。

本実施形態のプレート式熱交換器１では、こうして伝熱プレート１１〜１９によって構成された各層の空間を流体が流れるため、流体漏れを防止するため外周枠２１において、嵌合した上の伝熱プレートとの間にロウ付けによるシールが行われている。また、同様に径の大きい連通孔４１〜４８と、そこに挿入した連通行３２〜３９との間にもロウ付けによるシールとが行われている。従って、積層して組み立てられた伝熱プレート１１〜１９は、一体になってプレート式熱交換器１を構成するとともに、各層の空間と、各層を連通する連通部分との気密性が保たれるようになっている。なお、こうした部分のロウ付けによるシールは、レーザや電子ビームなどによる溶接で行うようにしてもよい。

ところで、このプレート式熱交換器１では、最上段の伝熱プレート１１の連通孔３１から高温流体が供給されるとすると、連通孔４１からは温度の低い流体が供給され、伝熱プレート１１，１２の層には高温流体が流れ、その下の伝熱プレート１２，１３の層には温度の低い流体が流れる。従って、温度の異なる２流体は、下層へ向けて一段おきに交互に流れて一方の流体は熱を奪われて温度が下がり、他方の流体は熱を吸収して温度が上がって熱交換が行われる。

こうした熱交換作用を実行するプレート式熱交換器１は、特に供給される２流体の温度差が大きいため伝熱プレート間の熱膨張による変形量の差によって生じる引っ張りなどの熱応力の影響を防止する構成がとられている。
先ず、高温流体とのみ接する伝熱プレート１１は、前述したように下の伝熱プレート１２との拘束箇所を少なくするため２点の支持部２７のみで当接するように構成されている。最下段の伝熱プレート１９は、本例では温度差が小さくなる側であるが、逆に高温流体の供給側になる場合には同じように熱応力の影響を受けるため、上の伝熱プレート１８との拘束箇所を少なくするため２点の支持部２７のみで当接するよう構成されている。

こうして拘束箇所を少なくするのは温度差による変形量の違いによって強い引っ張り応力を受けないようにするためである。そして、本実施形態では、高温流体が供給される伝熱プレート１１は、支持部２７が当接した伝熱プレート１２の凸部２６の頂面２６ａとはフリーになっており、ロウ付けなどの固定はなされていない。
また、伝熱プレート１１，１９は上下方向の荷重を受ける支持部２７の面積が小さい。そのため、凹部２５と凸部２６とが互いに当接して上下のプレート同士で剛性を高めるように構成されている伝熱プレート１２〜１８に比べて剛性が低くなる。そこで、剛性不足を補うべく肉厚の板材で形成されている。材質はいずれもＳＵＳ３１６Ｌの板材が使用されているが、伝熱プレート１２〜１８の板厚が０．５ｍｍであるのに対し、伝熱プレート１１，１９の板厚は１．０ｍｍとなっている。

また、伝熱プレート１２〜１８では、凹部２５と凸部２６とが上下で当接するため、温度差による変形量の違いによってやはり強い引っ張り応力などを受ける。特に、温度の高い流体が直接流入する伝熱プレート１２と低温の流体が入る伝熱プレート１３との間で温度差が大きいことから、変形量が大きく、それに伴って生じる応力も大きい。そこで、例えば本実施形態では、伝熱プレート１２と１３の間では、当接する凹部２５と凸部２６との間ではロウ付けせず、単に当接するように重ねるだけとする。その一方で、熱交換によって高温側流体がの温度が下がるそれ以下の伝熱プレート１３〜１８では当接する凹部２５と凸部２６は従来通りロウ付けして伝熱プレート間の熱伝達効率を良くしている。

こうして、本実施形態のプレート式熱交換器１は、上下プレート間の熱膨張による変形量の差によって生じる応力の影響を回避すべく、温度差が大く生じる伝熱プレート１１と１２との間では拘束箇所を少なくし、更に伝熱プレート１１と１２及び伝熱プレート１２と１３との間では、シール部分以外の当接部分にロウ付けを施すことなくフリーの状態にしている。具体的には、支持部２７と凸部２６の頂面２６ａとの当接部分、凸部２６の頂面２６ａと凹部２５の底面２５ａとの当接部分であり、それらが互いに摺接するのみでフリーになっている。従って、本実施形態では、プレート間で熱変形の差による引っ張り応力などがあまり作用しなくなり疲労破壊を防止することができる。

以上、本発明のプレート式熱交換器について一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、伝熱プレート１１，１２，１３の間でシール部分以外のロウ付けによる拘束を行わないようにしたが、これは２流体の温度差による応力の影響を考慮したものであるため、ロウ付けなどによるシール部分以外の拘束及び拘束無しの関係は適宜条件によって変更することができる。

また、前記実施形態では、シール部分以外についてロウ付けによる拘束と拘束無しとの２形態のみとしたが、全体を拘束する一方でプレート間でその接合強度を変化させるようにしてもよい。例えば、伝熱プレート１１，１２，１３の間では銅によるロウ材を使用して接合強度を相対的に弱くし、他の伝熱プレート１４〜１９についてはニッケルによるロウ材を使用して接合強度を相対的に高くする。これにより、伝熱効率を良くすることができるとともに、２流体の温度差による応力が大きく作用しても、その接合部分が破壊されるだけでプレート自体は影響を受けないようにすることができる。

一実施形態のプレート式熱交換器を構成する複数の伝熱プレートを積層順に並べたものを示した斜視図である。 プレート式熱交換器を構成する伝熱プレートのうち、最上段から４枚分の伝熱プレートを拡大して示した斜視図である。 ４枚分の伝熱プレートを積層したプレート式熱交換器の一部を示した斜視図である。 従来のプレート式熱交換器を構成する複数の伝熱プレートを積層順に並べたものを示した斜視図である。 従来のプレート式熱交換器の断面を示した図である。

符号の説明

１ プレート式熱交換器
１１〜１９ 伝熱プレート
２１，２２ 伝熱面
２３ 外周枠
２５ 凹部
２６ 凸部
３１〜３９，４１〜４９ 連通孔

Claims (5)

1. 一対の連通孔が形成された伝熱面の周縁部分に外周枠が立ち上がった複数の伝熱プレートを、その外周枠を嵌め合わせることにより積層し、一対の連通孔のうち一つの連通孔同士を連結して一層分を隔てた隔層毎に連通する２流路が形成さたプレート式熱交換器において、
   前記伝熱面には、積層された状態で上下の伝熱プレート間で当接する凹部及び／又は凸部が形成され、供給される流体の温度に応じて当該凹部と凸部の当接部分の接合条件を変化させるようにしたものであることを特徴とするプレート式熱交換器。
2. 請求項１に記載するプレート式熱交換器において、
   前記凹部と凸部との接合条件は、流体供給側から所定数の伝熱プレート同士は接合せず、それ以外の伝熱プレート同士はロウ付けによって接合するようにしたものであることを特徴とするプレート式熱交換器。
3. 請求項１に記載するプレート式熱交換器において、
   前記凹部と凸部との接合条件は、流体供給側から所定数の伝熱プレート同士は銅系ロウ材を使用して接合し、それ以外の伝熱プレート同士はニッケル系ロウ材を使用して接合するようにしたものであることを特徴とするプレート式熱交換器。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載するプレート式熱交換器において、
   前記伝熱プレートの凹部は平らな底面を有する溝条形状で形成され、前記伝熱プレートの凸部は平らな頂面を有する突条形状で形成され、前記伝熱プレートの凹部と凸部は互いの長手方向が平行で、且つ長手方向に直交する方向に交互に形成されているものであることを特徴とするプレート式熱交換器。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載するプレート式熱交換器において、
   流体供給側に配置された第１番目の伝熱プレートは、他の伝熱プレートの凹部又は凸部に対する当接面積の小さい円形の凹部又は凸部が形成され、当該他の伝熱プレートよりも板厚が厚いものであることを特徴とするプレート式熱交換器。

Images